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CPLD在多功能谐波分析仪设计中的应用0四爪卡盘

时间:2022/09/15 10:32:04 编辑:

CPLD在多功能谐波分析仪设计中的应用

CPLD在多功能谐波分析仪设计中的应用 2011年12月04日 来源: 摘 要:提出一种基于可编程逻辑器件(CPLD)的电力谐波分析仪,提高了谐波分析的精度及响应速度,同时大大精简了硬件电路,系统升级非常方便。文章给出了主要的设计过程和仿真波形。关键词:CPLD;谐波分析;频率跟随 Application about CPLD on Design of Harmonic AnalyzerREN Zihui, LI Haigang(Information & Electrical Engineer College, China University of Minin g & Technology, Xuzhou 221008, China)Abstract: A harmonic analyzer based on CPLD was stated. It impro ves capability and response. Meanwhile, it reduces hardware largely. Upgrading s ystem will be easier. The main process of design was introduced in this paper.Key words: CPLD; harmonic analysis; frequencyfollowing1采样方法比较对三相电压、电流6路模拟量进行数据采集时,一般有两种方法:①同相电压电流交替采样法:在被测信号的一个周期内,采样256点,其中128个奇数点为电压采样点;128个偶数点为电流采样点。采电压和采电流的时差为Δt=T/256(T为被测信号周期)。由Δt引起的同相电压电流的相位误差为δui=360*f*n*Δt(度)。式中f——被测信号频率,n——谐波次数。由上式可知相位误差随时差Δt、谐波次数n增大而增大,这是造成相位差存在并且不一致的根本原因。另外还有一个原因,当电网频率畸变时,由于采样是定时采样,不能跟随频率变化,也会造成测量误差。②同相电压电流整周期同步采样法:同相电压、电流采取的是同步采样,分时传输的方法。这样,就不存在时差问题,相位差也就不存在;对于电网频率畸变的问题,常用的方法是锁相环技术。它是通过对电网电压信号取样进行带通滤波,提取出电网基波信号,然后进行整形处理,获得与基波信号频率一致的方波信号,将它进行锁相倍频,获得输出频率为f0=N*fi的方波信号,以此作为整周期同步采样脉冲信号。由此,采样间隔也就随被测信号的频率变化而相应变化,但是,这又增加了硬件的开销。在本设计中,采用的是整周期同步采样方法:由CPLD和单片机配合产生符合要求的整周期同步采样脉冲信号。2工作原理及硬件构成2.1系统的工作原理首先让被测信号经过抗混叠低通滤波器电路进行预处理,对其中1路信号通过测频模块进行精确的频率测量,把频率参数传输到单片机,由其通过运算确定分频系数,然后,回送到CPLD的总控制器中,总控制器由此产生采样脉冲信号。在采样过程中,对于同相电压、电流信号采用的是同步保持,通过多路开关分时采样。其中,3路采样保持器的控制信号Ca,Cb,Cc,多路开关的地址选通信号A1,A2,A3由CPLD控制产生。把选通的1路信号送入AD开始转换,并检测转换结束信号。当一次AD转换结束时,通过RAM地址发生器产生的地址和读写控制时序,把AD转换的结果直接送入双口RAM存储。然后,进行下一次采样。当A相信号采样完成后,就顺序采样B相、C相信号。本设计中的MCS51单片机主要负责运算及人机接口的管理,这将大大提高整个系统的运行效率,提高了运算的精度,又兼顾了运算的响应速度。2.2主要硬件的选择由于CPLD是高速器件,所以在采样频率很高的时候,多路开关和AD转换器就成为制约采样频率的主要因素。当采样频率达到兆级的时候,RAM的存储速度又成为了另外一个制约因素。在本设计中,要求分析的谐波次数达到50次,被测信号在45Hz~55Hz范围内,频率自动跟随。根据香农定理知:采样频率应该大于或者等于被测信号频率的2倍。要求每个周期采样128点,这样总的采样频率为f=128*55*2=14.08kHz,所以采样周期为T=1/fs=71.02μs。采样保持器选择AD582,它是反馈型结构,在精度要求不高(≤0.1%)而速度要求较高时,可选用CH=1000pF,捕捉时间tAC≤6μs。多路开关选用MAX382,它开关速度快,在双电源,连续供电工作方式下,典型开关时间在100ns左右。它的主要特点是:工作电压低、通道电阻小(≤100Ω)、具有数字输入锁存、TTL/CMOS电平兼容、具有ESD静电保护功能等。ADC转换器选用MAX172,该芯片是5V电源供电的12位模数转换芯片,CMOS工艺制造,速度快,转换时间为10μs,具有基准源,外接时钟,频率要求为1.25MHz。

2.3CPLD器件简介在本设计中选用的是EP1K100QC208-3,它是ALTERA公司推出的ACEX1K系列下的一款FPGA芯片。上电时需要重新对芯片进行配置。片内有100,000可用门,有4,992个逻辑单元,内嵌12个EAB。每个EAB的容量为512Byte,可以非常方便地构造RAM、ROM、FIFO或双口RAM等功能。本设计中6KB的双口RAM正是基于此构建的。其有208个管脚,可用I/O管脚数为147个。3CPLD内部电路实现本设计的软件是在MAX+plusII10.2下完成的,顶层文件是*.gdf图形文件,低层用AHDL硬件描述语言来描述。3.1测频模块测频模块的主要作用是:①测量电网频率;②确定分频系数,产生跟随频率变化的同步脉冲。测频原理:由于测量的频率在50Hz左右,采用脉宽测量方式,即首先对被测信号进行2分频,使信号的正负脉宽相等,然后利用正脉宽对50MHz的标准脉冲进行计数。正脉宽上升沿来时,计数器开始对标准脉冲计数;下降沿来时,锁存当前的计数值Con。通过以下关系确定频率f、分频系数N。

分频系数为:系统时钟源频率与分频得到脉冲频率(256*f)的比值的一半再减去1,即:

3.2S/H时序控制模块由于采用的是同相电压、电流同步采样技术,所以对S/H的控制时序要求严格。同步采集某相电压电流1次的时间≤71.02μs。同相电压、电流间要求是同时保持,分时采样。由于ADC582的捕捉时间约为6μs,所以S/H时序脉冲低电平应至少为10μs,在此期间,采样保持器处于跟踪状态;高电平为60μs,在高电平期间,采样保持器处于保持状态。前30μs对电压信号进行AD转换并存储;后30μs对电流信号进行AD转换并存储。仿真波形如图2。

3.3多路开关MAX382的地址产生及ADC控制模块在AD582控制脉冲一个周期的高电平期间,要采集电压、电流各1次,所以多路开关MAX382需要选通2次,AD芯片MAX172也需要启动2次。第1次MAX382选通起始于AD582控制脉冲上升沿来临以后的1μs时刻;第2次起始于中间31μs处,延时1μs。这是因为采样保持器的输出还有一段波动,经过一定时间tST才保持稳定,为了量化的准确,所以在保持指令发出后,延时1μs。AD启动脉冲开始于AD582控制脉冲2μs、32μs处,也延时1μs。MAX172的控制端有:CS,HEN,RD;转换结束状态线:BUSY。当CS=0,RD=0,BUSY=0时,AD正在转换;BUSY=1时,转换结束;HEN=1,读转换结果的高4位数据,HEN=0时,读转换结果的低8位数据。该模块要结合硬件来仿真。MAX172的控制时序图如图3。

3.4双口RAM地址发生器及读写控制模块ACEX1K100器件内嵌EAB单元,可构成容量大约为6KB的双口RAM,由于MAX172是12位AD,而MCS-51的数据总线只有8位,所以,需要把1次采样的数据分成2个字节,分别存储。因为电压、电流分时交替转换,所以,在地址发生器中要有一个确定的映射规则,调整其存储地址,以使电压、电流在双口RAM中分块顺序存储。另外,在双口RAM中,当对同一地址单元同时进行读写时,要有一个仲裁机制,对其进行控制;当读写发生冲突时,我们约定:CPLD写双口RAM具有优先权,只有当写操作结束后,MCS-51单片机才被允许读该单元。该模块的仿真波形见图4。3.5通信模块该模块是在CPLD内部构建一个串行发送电路端口,实现MCS-51单片机与CPLD器件之间的通信功能。(1)在正常工作模式下,频率、同步脉冲的分频系数等重要数据需要通信。(2)在系统升级模式下,单片机发送控制数据给CPLD实现升级。通信方式为串行单工通信,MCS-51单片机发送数据,CPLD接受数据。通信波特率约定为9600bps,通信的帧结构:1帧10位数据,1位起始位(低电平),8位数据位,低位在前;1位停止位(高电平)。帧与帧之间有3位空闲位(高电平)以确保通信正确。 4结论在电力谐波分析仪的设计中,CPLD的应用使采样的速率大大提高,由于采用频率跟随技术,可以满足高精度的测量需要。另外,也减轻了MCS-51单片机的负担,提高了系统的响应速度,实时性更强。该设计还有另外一个优点,系统升级方便,只要把ADC芯片换成MAX162,单片机的程序稍做修改即可。当然也可以实现在线修改,实现远程控制等功能。参考文献[1]仇润鹤,任子晖,等.单片机在电网谐波分析仪中的应用[J].中国矿业大学学报,1994,23(1).[2]徐会明,卢锦凤,等.GXY-90工频谐波分析仪设计中的几项先进技术[J].仪器仪表学报,1994,15(2).[3]李绍铭,杨伟翰,等.高速数据采集与谐波分析仪的设计[J].自动化仪表,1999,(12).[4]付慧生,袁小平,庄乾起.复杂可编程逻辑器件与应用设计[M].中国矿业大学出版社,2003.(end)

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